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1.2 氢能 在当代，太阳能、氢能、风能、核能和生物质能等新能源发展迅猛，许多新型能源已经投入使用。而氢能作为 21 世纪最具发展前景的清洁能源，随着全球环境和气候的变化及化石能源的日益减少，世界各国对氢能等新能源的研发及推广投入了极大的热情和精力[1]。 氢能，作为一种优越的清洁能源，具有很多优点： ①氢是所有的元素中质量最小的，氢气分子量为 2，为空气的1/14，因此，氢气泄露不会在地面聚集。而且，氢气是无色无的，不会造成人体中毒，其燃烧后形成水，不会对环境造成污染。 ②氢气具有很高的热值，每公斤氢气燃烧可以释放出 142 百万焦耳的热量。其热值能够达到汽油的 3 倍和天然气的 3.5 倍左右。③氢氧焰温度高达2800℃，火焰挺直，损失的热能少，利用率高。 ④与其他燃料相比，氢能燃烧不会释放温室气体等有害气体或对人体有害的悬浮颗粒，只会生成水，而水又可以用来制备氢气，因此，氢能是可循环的清洁能源。 ⑤氢元素的总量十分庞大，它广泛的分布于自然界之中。除了空气中的氢气，水也是氢元素的一种重要的保存方式，而水又广泛的分布在地球的每个角落。因此，如果可以计算氢能够释放的总热量的话，仅水中的氢所能提供的热量就是所有的化石能源的9000 倍左右。 氢能是二次能源，必须从水或化石能源等含氢物质中提取。而在现实世界中，氢往往是与氧相结合，以水的形式存在。而要把水中的氢提取出来，一般需要用热分解或者电分解的方法将氢分离出来。如果使用传统化石燃料燃烧转换成电能作为电分解制氢的能量来源，那么，将得不偿失。因此，基于现有的技术，太阳能制氢是一种有效的方法。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，可以无偿使用，同时无需运输，对环境无污染，因此，太阳能亦是 21 世纪人类要大力开发与应用的新能源。现在，我们主要通过以下技术来利用太阳能制氢。比如：光电化学分解法、热化学法、人工光合作用制氢法、生物制氢法和光催化法等[2]。
1.3 氢能的利用 早在二战期间，氢能便被投入到军事领域当中。液氢是良好的液体推进材料和燃料。很多武器的发动机都是用液氢作为其的启动能源和推动动力，比如，早期的A-2 火箭发动机、美国的“阿波罗”登月飞船等。现在，军事武器的发展离不开氢能的发展和利用。对于现代航天飞机来讲，氢的热值很高，是普通汽油的3 倍，这就代表了航天飞机燃料的自重可减轻 2/3，这对于航天飞机增加有效载荷是极为有益的。而在交通运输领域，以氢为燃料的示范汽车已经在美国、德国、法国、日本等汽车大国推出，并进行了道路运行试验。尽管氢燃料技术还不成熟，但其已经在经济性、安全性和适应性三方面展现出良好的前景。氢不光是品质优良的清洁能源，同时还是石油、化肥、化工和冶金工业中的重要原材料和物料。氢也可以用于铁矿石的还原，来使燃料电池发电。氢能系统是由氢的生产、存储和使用三部分构成。使用太阳能或者其他的可循环能源来制氢，用金属氢化物储存、高压气态储存或低温液氢储存等方式来储氢，然后利用氢燃料电池来发电，将组成一个近“零排放”的可持续利用的氢能系统。在最近的十几年中，随着质子交换膜燃料电池技术的迅猛发展，利用氢能取代液体、气体燃料作为交通工具的动力来源已经不是天方夜谭。
1.4氢能发展现状 氢能是世界各国科学与技术发展规划战略中的重点之一，许多相关的科学机构与企业在氢能领域投入极大的热情。一些发达国家的氢能技术已经成熟，但仍处于示范阶段。目前，我国将非常大的精力与热情投入到制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面中，并且已经取得了许多成果，拥有了一批氢能领域的知识产权。 现如今，我国国内已经有数十家院校以及科研机构在从事氢能领域新技术的研发，配套有数百家企业参与产品的研发与生产。在“863”计划实施以来，我国已经自主研发了大功率氢燃料电池，并将其用于车用发动机和移动发电站。当前，我国需要解决许多问题，才可能大规模推广和利用氢能。 首先，国内主要采用煤、焦碳气化制氢，天然气或石油产品转化制氢以及水电解制氢等方法来制氢等方法。其中，化石燃料制氢大约占总量的 97%，而水电解制氢则只占3%左右。制得的大部分氢被用作化工原料等，而非作为氢能利用。因此，氢能来源成为制约氢能发展的首要解决问题。 其次，氢能的储存难度非常大。正常状态下，汽油的能量是同体积的氢气能量的300 倍左右，因此为了存储氢能，必须先对氢气进行加压、液化或通过化学方法等进行转化。而在对氢气进行加压的同时，又将消耗很大的能量。此外，氢能的运输成本要远远超出汽油。假如储氢罐车能够装载提供 30 辆轿车使用的燃料，那么这些罐车将重达 20 吨，但是相同的罐车只能运输 200 千克氢。而同样重量的汽油罐车则能运输供 400 辆轿车使用的汽油燃料。如果利用管道来运输氢气，现有的天然气管道无法利用，需要从新设计并建设新型管道，以保证管道不会被腐蚀和实现氢气的最大量输送。
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